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1、严寒地区典型村镇住宅的太阳能供热采暖系统设计西安建筑科技大学 邓带丽 李安桂 摘要：村镇太阳能的有效利用方式与气候区及建筑形式密切相关。本文以太阳能资源区划指标类（太阳辐照量42005400MJ/(m2a)、属严寒气候区的沈阳市所辖的典型村镇建筑形式为例，根据当地村镇的经济收入和典型建筑面积和构造形式，设计了太阳能热水系统（方案一）和供暖系统，其中采暖系统考虑室内采暖设计温度分别为18（标准型）和室内设计温度为10（基本型）的两种采暖模式；以便居民根据自己经济情况任选其一。并通过经济性分析得出方案一、方案二在利用当地太阳能方面的经济效应差异之处。关键词 典型村镇住宅、太阳能供热采暖系统设计、
2、经济性分析 0 引 言 村镇太阳能的有效利用方式与气候区及建筑形式密切相关。我国太阳能资源丰富，年平均太阳辐射在33408400MJ/m2，年日照时数超过2200h的地区约占全国国土面积的2/3以上1。同时我国疆域广阔，气候多样，因地域、气候和生活方式不同而异彩纷呈的多种建筑形式。本文以太阳能资源区划指标类（太阳辐照量42005400MJ/(m2a) 8,属严寒气候区的辽宁省沈阳市东陵区朝鲜族的典型住宅为例，对其进行供热采暖系统设计。1 典型建筑的基本概况沈阳市东陵区处于我国东北地区，月平均最低气温达-12，属严寒区，采暖期长达151天，采暖负荷占整个建筑负荷的60%。沈阳市的太阳能水平面年辐
3、射量在5000-5400 MJ/，年日照时数在2200-3000h，属于类太阳能资源区8。本设计中所选建筑是沈阳市典型的建筑形式5，如图1-1所示，底层采用传统的布局形式，以满足老年人对传统环境的喜好，为了合理的利用太阳能将主要功能房间布置于南向，同时考虑充分利用太阳能，加大南向窗面积，以及添加阳光间，作为冬季。在组合形式上，为了节能省地，本建筑取缔了独院式建筑布局形式，选择4-6户相连的组合式布局。本图选择联排式中冬季最不利的一户为例。由于经济条件的差异辽宁省村镇建筑的结构形式多样，其中砖混结构占主要部分2，根据辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则DB 21/1007-1998（采暖部分）规定
4、，建筑维护结构的基本信息如表1-1. （a）一层平面图 (b) 二层平面图图1-11 典型住宅表1-1典型住宅维护结构基本信息6 外墙材料层厚度导热系数热阻总传热系数W/(、K)（mm）W/(m、K）(、K）/W0.49白灰砂浆200.810.02承重空心砖墙2400.580.41聚苯板800.051.6承重空心砖墙1200.580.21水泥砂浆200.930.02屋顶材料层厚度导热系数热阻总传热系数（mm）W/(m、K）(、K）/WW/(、K)防水层100.170.060.44水泥砂浆找平层200.930.02干炉渣找坡1000.4350.23水泥聚苯板800.0810.99加气混凝土条板2
5、000.250.8混合砂浆抹面200.870.02带玻璃阳台外门双层金属框3.26单框二层玻璃窗3.49双面抹灰24砖墙1.722 热负荷2.1 生活热水负荷根据建筑给排水设计规范GB50015-2003的规定，住宅建筑中当有集中热水供应和沐浴设备时，每人每日最高日用水定额为60100L3，农村地区用水相对较少，取小值60L。考虑目前农村家庭总人数为4人，则总热水量为240L/d.根据建筑给排水设计规范GB50015-2003的规定，热水系统的热水供水温度宜控制在5560为好。温度超过60，管道易结垢及腐蚀，温度低于55，不易杀死水中的各种细菌。但太阳能集热器在低温状态下的热效率高，其在热水出
6、水温度为45时，热效率最高。而对于生活热水使用的水温一般为37-45，且采用地板辐射的末端散热系统，热水温度一般为35-55较合适1，因此在此选择集热器出水温度时采暖地区为45。由于沈阳市农村饮水多取自井水，年平均水温在6-103，取中值8热负荷按式（2.1.1）计算： （2.1.1）式中 Qh设计小时耗热量， J； m用水计算单位数，人数或床位数； qr热水用水定额，L/人.D或L/床.d等。 C水的比热，c=4187J/(Kg.)； tr热水温度，一般取tr=60； tL冷水温度，沈阳地区取8； 热水密度，Kg/L。则日生活热水负荷为37.18MJ,各月热水负荷如表2-1。表2-1 各月生
7、活热水负荷 单位：MJ月份123456789101112生活热水负荷 1153104111531115.411531115.4115311531115.411531115.411532.2 采暖热负荷为了适应不同经济条件下建筑热舒适性的要求，设计了室内采暖设计温度分别为18的标准型和室内设计温度为10的基本型两种采暖模式。根据采暖通风与空气调节设计规范规范（GB 50019-2003）及简明供热设计手册的要求，选取各参数，计算各房间耗热量，以老人居室及儿童间为例其计算值如表2-2，其他房间类同.表2-2 老人居室、儿童间耗热量计算表维护结构标准型基本型老人居室儿童间老人居室儿童间南外墙南外窗南
8、外墙南外门屋顶南外窗南外墙南外窗南外墙南外门屋顶南外窗面积 6.62.75.941.814.851.56.62.75.941.814.851.5传热系数 W/(、K） 0.493.260.494.350.443.260.493.260.494.350.443.26室内温度 1810室外温度 -19-19温差 3729温差修正系数 11110.9111110.91基本耗热量 （w）119.66325.67107.69289.71217.58180.9393.79255.2684.41227.07170.54141.81耗热量修正朝向 %-20-20-20-200-20-20-20-20-200-
9、20风向 %000000000000高度附加（%）80808080100808080808010080修正后耗热量 （w）95.7260.586.2231.8217.6144.775.0204.267.5181.7170.5113.4高度修正0.02.00.02.0维护结构耗热量w95.7260.587.9236.4221.9147.675.0204.268.9185.3173.9115.7空气渗透耗热量 w 147.8138.3115.8108.4总耗热量 w504.0832.1395.1652.2将各房间的耗热量叠加算出月耗热量，得采暖期月负荷，月负荷如表2-3表2-3 采暖负荷 单位：M
10、J月份1112123月平均温度 0.0-8.5-12.0-8.40.1采暖天数30.031.031.028.031.0倾斜面月平均日太阳辐射量MJ/(、d)13.911.412.16515.918.3标准型供暖热负荷指标 MJ/25.637.742.737.625.5标准型供暖热负荷 MJ8828.013429.915203.712084.59071.5基本型供暖热负荷指标 MJ/15.321.133.728.215.2基本型供暖热负荷 MJ4706.06689.510698.38081.74814.2综合表2-1、2-3得月平均总负荷，如表2-4.表2-4 月平均总负荷总负荷 MJ12345
11、6生活热水负荷 MJ 1153104111531115.411531115.4标准型采暖负荷 MJ 15203.712084.59071.50.00.00.0基本型采暖负荷 MJ 10698.38081.74814.20.00.00.0标准型总负荷 MJ16356.713125.510224.51115.41153.01115.4基本型总负荷 MJ 11851.39122.75967.21115.41153.01115.4总负荷 MJ789101112生活热水负荷 MJ 115311531115.411531115.41153标准型采暖负荷 MJ 0.00.00.00.0882813429.9
12、基本型采暖负荷 MJ 0.00.00.00.047066689.5标准型总负荷 MJ1153.01153.01115.41153.09943.414582.9基本型总负荷 MJ 1153.01153.01115.41153.05821.47842.53 太阳能系统设计3.1 集热器选择目前我国应用较多的集热器有平板式和真空管式，平板式价格便宜易与建筑结合，维修费用低，但在环境温度低于零度时需考虑防冻。在得热量方面，夏季平板型略高于真空管型，过度季持平，在北方地区的冬季低于真空管，因此平板型的年得热量小于全玻璃真空管集热器8。真空管有热管式与玻璃管式，但真空管价格高，由于出水水温高易结垢，影响集
13、热效果。综合考虑以上因素选择玻璃真空管集热器。3.2集热面积的确定根据太阳能供热采暖应用技术手册的规定，直接式太阳能集热器面积计算式为： （3.1.1）式中 Ac直接系统太阳能集热面积，m2； Q热负荷，W ，方案一取年热水平均负荷，方案二取采暖期内平均采暖负荷；f太阳能保证率，无量纲，一般在0.300.80，沈阳地区短期蓄热系统取10%-30%，在此取10%；JT采暖期内当地集热器总面积上平均日太阳能辐射量， J/m2; 太阳能集热器设计月平均集热效率，无量纲，经验取值为0.250.50，具体数值由实际测定选取，在此选中间值0.37； 管路、贮热水箱热损失率，无量纲，根据经验取0.200.3
14、0，取中间值0.25。间接式太阳能系统集热面积按式（3.1.2）计算： （3.1.2）式中 AIn间接系统太阳能集热总面积，m2； AC直接系统集热总面积，m2； FRUL集热器总热损失，W/（m2.),因集热器类型及制造厂家不同取值而不同，一般平板型集热器取46，真空管型取12，具体数值由实际测定选取。 Uhx换热器传热系数，W/（m2.)； Ahx间接系统热交换器换热面积，m2。虽然在防冻方面间接式具有较大优势，但直接式系统控制简单、维修方便、投资低、集热效率远高于间接式系统，综合考虑上述各方因素在此选直接系统。（1） 方案一 由2.1计算可知全年热水平均日负荷为37.2MJ，太阳能资源类
15、区热水系统太阳能保证率推荐选用值为40%-50%7,本方案中取50%。由此计算太阳能集热面积为4.2，取4。（2） 方案二 舒适型与基本型采暖期内采暖日平均负荷分别为425MJ，269MJ，太阳能资源类区供热采暖采暖系统太阳能保证率推荐选用值为10%-30%8，取最小值10%。经计算得直接式集热器面积为11（标准型）、7（基本型）。根据月平均太阳辐射量计算得出11（标准型）、7（基本型）集热面积产热量。见图3-1.图3-1 太阳能集热面积产热量从图上可看出：（1）采暖负荷是生活热水负荷近10-20倍。（2）月平均太阳能产热量变化不大。（3）太阳能集热器面积为11，在采暖季的2、3、11月除能提
16、供100%的生活热水负荷外，还能提供近2%的采暖负荷，但在非采暖季节热水大量过剩，在5月份甚至达到生活热水负荷的153%，因此若采用此太阳集热面积为了保证系统的安全需采取，如遮挡1/3以上的太阳能集热面积；7的太阳能集热器面积能满足全年生活热水负荷的83%，其中在3、4、5月份能满足生活热水负荷的95%。3.2 辅助热源由于天气的影响，太阳能系统具有很大的不确定性，为了保证系统的可靠性，必须设计辅助热源。辅助热源应根据当地的条件选择，可选择电加热，燃油、燃气，工业余热、热泵或生物质能等。沈阳市秸秆、柴薪丰富，在其生活用能中，生物质能也占总生活用能的60%以上4，因此优先考虑生物质作为辅助能源。
17、对于经济条件较好，生物质少的家庭也可利用热泵、电或煤炭作为辅助能源。4 系统经济性分析根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册的规定，计算得太阳能系统年节能量为：方案一年节能量8420MJ;方案二年节能量14562.7MJ（标准型）/11233.5MJ(基本型)，如果取锅炉的效率为80%，则方案一节约标准煤287.3kg,方案二节约标准煤496.9kg/383.3kg。若集热器的使用寿命为15年，则寿命期内方案一可节约标准煤4309.4kg，方案二可节约标准煤7453.3kg/5749.4kg。取沈阳市的电价为0.5元/(KW、h)，加热设备效率按95%，则折算的热价为0.15元/MJ，取单位集
18、热器面积为1200元，维修费用取为投资费用的1%，则寿命期内方案一可节省费用17053.1元，方案二可节省费用7187.6元/7591.0元。投资回收年限为：方案一4.6年，方案二8.6年/6.7年。寿命期内CO2减排量分别为：方案一12.1t，方案二20.9t/16.1t。5 结论通过以上的计算分析可以得出：1.方案一与方案二相比（即热水系统比采暖系统），在寿命期内节省的总费用及动态投资回收年限方面，前者更具优势。2.方案二中，按室内设计温度为18的标准型太阳能供热采暖系统与设计温度为10的基本型太阳供热采暖系统相比，在寿命期内节省的总投资费用及动态投资回收年限方面，后者更优，且前者在非采暖
19、季节热水大量过剩，需采取防过热措施。6 致谢本文为国家“十一五”科技支撑计划重大课题“村镇住宅设备标准化设计技术与软件开发”（ 2008BAJ08B07）及国家自然科学基金资助（资助号No.）的部分内容，特此鸣谢。参考文献1 国家住宅与居住环境工程技术研究中心著.住宅建筑太阳能热水系统整合设计M.北京：中国建筑工业出版社，2006.2 陈士芹.我国太阳能采暖和供水系统经济性研究与开发J.科学决策，2008（11）：63 建筑给排水设计规范S.GB 50015-2003.4 清华大学建筑节能研究中心 著.中国建筑节能年度发展研究报告2009M.北京：中国建筑工业出版社，2009.5 刘军、刘玉军、白芳编。新农村住宅图集精选M.北京：中国社会出版社，2008.6 辽宁省民用建筑节能设计标准实施细则S. DB 21/1007-19987 郑瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册M.北京：化学工业出版社，2006.8 何梓年、朱敦知主编.太阳能供热采暖应用技术手册M.北京：化学工业大学出版社，2009。姓名： 邓带丽 性别： 女 出生年月： 1982.10通讯地址：西安建筑科技大学220# 邮编： 联系电话： 电子邮件：dailideng2007